JP2879630B2 - 高温塩害特性に優れたフエライト系耐熱用ステンレス鋼 - Google Patents

高温塩害特性に優れたフエライト系耐熱用ステンレス鋼

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は,例えば各種内燃機関の
排ガス系統の材料として好適なフエライト系耐熱用ステ
ンレス鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年, 自動車や工場から排出されるガス
による大気汚染が大きな問題となっている。たとえば自
動車の排気ガスは公害防止の観点からNOx,HC,CO
などの量が規制されてきたが,最近では酸性雨などの点
から規制がより厳しくなる傾向にある。このため, 排気
ガスの浄化効率の一層の向上が必要となってきた。
【0003】一方,この浄化効率の向上に加え,最近で
はエンジンの高出力化あるいは性能アップの要求が高ま
っているので,排ガス温度は上昇する傾向にある。また
環境面では,冬季の路面凍結に対しての運転上の安全性
を確保するため,路面凍結防止材が多量に散布されるよ
うになった。このため自動車の下部部材のうちでも,特
に排ガス経路のように高温に保持される部材において
は,高温状態でかような路面凍結防止材 (塩類) が付着
することによる高温塩害が問題となる。
【0004】このような背景から,排気ガス系統の部材
は運転中における高温, 振動による機械的な応力変動,
運転パターンに依存した冷熱サイクル, 更には冬季にお
ける高温塩害など極めて過酷な状況下にさらされること
になり,この傾向は強まるばかりである。ステンレス鋼
などの耐熱鋼をこれらの用途で使用する場合,耐熱性に
優れることは無論であるが,上述した高温塩害特性も重
要な要素となる。また板材あるいはパイプのいずれかを
用いても厳しい加工を受けることから,加工性に優れる
ことが必要となる。
【0005】SUS304に代表されるオーステナイト系ステ
ンレス鋼は高温強度に優れ且つ加工性も良好である点に
おいて上記のような用途に対して有望な材料であると考
えられている。しかし, オーステナイト系ステンレス鋼
は熱膨張係数が大きいことから,加熱−冷却を受けるよ
うな用途では使用中に発生する熱応力による熱疲労破壊
が懸念されており,また表面酸化物との熱膨張差が大き
いことから加熱−冷却時に表面酸化物が剥離しやすい。
【0006】このようなことから一部の用途ではIncone
l 600に代表されるNi基の合金が使用されている。この
合金材料は熱膨張係数が低く, また表面酸化物の密着性
など耐高温酸化特性に優れ, かつ優れた高温強度を有し
ているので有望な材料である。だが,きわめて高価な材
料であるため広く一般に使用されるには至っていない。
【0007】一方, フエライト系ステンレス鋼はオース
テナイト系ステンレス鋼に比べて安価である。また熱膨
張係数が小さいので熱疲労特性に優れている。従って加
熱−冷却の温度サイクルを受ける用途に適すると考えら
れる。そのため,この分野の一部の用途に対してType 4
09やSUS304で代表されるフエライト系ステンレス鋼が使
用され始めている。
【0008】しかし 前述のようなフエライト系ステン
レス鋼材料は一般に900℃以上になると強度が著しく低
下するという性質があり,このために強度不足による高
温疲労破壊を起こすという問題や, 耐酸化限界を越える
と異常酸化を起こすという問題がある。
【0009】これらの問題に対し, MoやCrなどの添加
により高温強度を改善することやAlなどのメッキによ
り耐食性を改善することは一般的に知られているが, 合
金元素の添加は一般的に鋼の衝撃靭性を著しく劣化さ
せ,製造性および溶接性等を害する。またAlなどのメ
ッキを施す場合には溶接性を著しく劣化させる。
【0010】このようなことから,本願と発明者を共通
にする特願平2-74785号において,低温靭性, 溶接性お
よび耐熱性に優れるフエライト系耐熱用ステンレス鋼を
提案した。
【0011】
【発明が解決ようとする課題】特願平2-74785号では,
Cr量が17%以上を含有する鋼に対しての低温靭性, 溶
接性および耐熱性の改善を意図したものであり, また,
高温塩害特性については未知であった。そこで,本発明
者らは13Crを中心とする低Cr域においても,18Crと
同等もしくはそれ以上の高温強度, 耐酸化性, 耐高温塩
害性などの耐熱性を発現させることを課題として研究を
進めた。
【0012】すなわち本発明の目的とするところは,排
気ガス浄化効率の向上, 内燃機関の高出力化および高性
能化などの進展とともにますます厳しくなる排ガス経路
部材の使用条件および環境に対応すべく,より安価な13
%のCr系において,18Crと同等もしくはそれ以上の特
性を具備した耐熱性特に高温塩害特性および加工性の優
れた耐熱用フエライト系ステンレス鋼材料を得ることに
ある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば,重量%
において, C:0.03%以下, Si:0.8〜4.0%, Mn:0.8〜2.0%, Cr:10.0〜17.0%未満, Nb:0.3〜1.5%, N:0.03%以下, を含有し,さらに場合によっては, Mo:2.5%以下, Cu:2.5%以下, Al:0.5%以下, T
i:0.5%以下, V:0.5%以下, Zr:1.0%以下, W:
1.5%以下, B:0.01%以下, REM:0.1%以下の一種ま
たは二種以上を含有したうえ, 〔Nb〕=Nb%−8(C%+N%) の式に従う〔Nb〕が0.3以上の関係を満足するようにこ
れらの元素を含有し,残部がFeおよび製造上の不可避
的不純物からなる高温塩害特性に優れたフエライト系耐
熱用ステンレス鋼を提供する。
【0014】
【作用】図1は,製品としての高温強度に及ぼすNbの
作用を示したものである。すなわち, Fe-13%Cr-1.0
%Siの基本組成に対してNbの添加量を変えた場合につ
て,後記実施例と同一条件で製造した試験片の700℃に
おける高温引張試験結果である。なおNb量については
Nb%−8(C%+N%)で整理した固溶〔Nb〕量を横
軸に示す。図1に見られるように,固溶〔Nb〕量を0.3
%以上とすることにより, 高温強度が急激に改善される
ことがわかる。すなわち高温強度の改善には0.3%以上
の固溶〔Nb〕の添加が有効であるとの知見を得た。
【0015】図2は高温酸化特性に及ぼすSiとMnの作
用を示したものである。すなわち,Fe-13%Cr-0.5%
Nbを基本組成としてMnおよびSi量を変化させ,後記
実施例に従う方法で製造した高温酸化用試験片につい
て,大気中で1000℃×100時間の連続酸化を実施したさ
いの異常酸化の発生の有無をMnとSi量で整理したもの
である。図2の結果から,Mn量を0.8%以上, そしてS
i量を0.8%より多く添加することによって高温酸化特性
が改善されることがわかる。
【0016】図3は,高温塩害特性に及ぼすSiの作用
を示す。すなわち, Fe-13%Cr-1%Mn-0.5%Nbを基
本組成としSi量を変化させ,後記実施例に従う方法で
製造した高温塩害用試験片について,26%飽和食塩水に
5分間浸漬後,650℃で2時間加熱し,5分間冷却する
ことを1サイクルとして, これを10サイクル繰り返した
場合の腐食減量を示す。図3の結果から,Siを0.8%よ
り多く添加した場合には腐食減量が著しく低下し,耐高
温塩害性が顕著に改善されることがわかる。
【0017】このような知見事実に基づき本発明は高温
強度および耐酸化性などの耐熱性に優れ,かつ高温塩害
特性にも優れたトータルバランスの良好なフエライト系
ステンレス鋼を提供するものである。
【0018】以下に本発明鋼における各成分の作用とそ
れらの含有量の限定理由を述べる。
【0019】CとN:CとNは一般的には高温強度を高
めるために重要な元素であるが,反面含有量が多くなる
と耐酸化性,加工性ならびに靭性の低下を来す。またC
とNはNbとの化合物をつくり, フエライト相中の有効
Nb量を減少せしめる。このような理由からそれぞれ0.0
3%以下とする。
【0020】Si:Siは耐高温塩害性に有効に作用し本
発明鋼の重要な元素である。前記の図2および図3に示
したように,0.8%より多く添加することにより高温酸
化特性および耐高温塩害性を改善する。しかし過剰に添
加すると硬さが上昇し加工性, 靭性の低下をもたらすの
で0.8〜4.0%の範囲とする。
【0021】Mn:Mnも本発明鋼の重要な元素で,図2
の結果に見られるように0.8%以上Mnを添加することに
よって高温酸化特性が改善される。しかし過剰に添加す
るとオーステナイト相の析出などによる熱疲労特性の低
下などが考えられる。したがってMnは0.8〜2.0%の範
囲とする。
【0022】Cr:Crは耐酸化性および耐高温塩害性の
改善に不可欠の元素であり,耐酸化性を維持するために
は10%以上の添加を必要とする。一方, 過剰に添加する
と鋼の脆化を招き, また硬さの上昇によって加工性も劣
化するので17%未満とする。
【0023】Nb:Nbは高温強度を維持せしめるのに有
効に作用するので本発明鋼の重要な元素である。図1の
高温引張試験結果からもわかるように, 高温強度を改善
するためには少なくとも0.3%以上添加する必要があ
る。この場合,NbはCとNによる化合物を生成するの
で,単にNb量を0.3%以上としてもCとNの量によって
固溶Nb量は減少し,高温強度に及ぼすNbの効果は減少
する。したがって〔Nb〕=Nb%−8(C%+N%)の
式に従う〔Nb〕すなわち固溶Nb量が0.3%以上となる
関係を満足することが必要である。一方,Nbを過剰に
添加すると溶接高温割れ感受性が高くなる。十分な高温
強度を維持し,なおかつ溶接高温割れ感受性に余り影響
を及ぼさないようにNbの上限を1.5%とする。
【0024】Mo:Moは鋼の高温強度を上昇させる。ま
た耐高温酸化および耐食性の改善にも有効である。一
方, 過剰に添加すると低温での靭性を著しく低下させ,
また製造性および加工性の低下をきたすため上限を2.5
%とする。
【0025】Cu:Cuは鋼の耐食性や靭性の改善に有効
な元素である。一方,過剰に添加すると硬質となり加工
性を害することから上限を2.5%とする。
【0026】Al:Alは鋼の耐高温酸化特性を改善す
る。しかし過剰に添加すると製造性および溶接性で問題
となるため上限を0.5%とする。
【0027】Ti:Tiは鋼の高温強度を上昇させ,加工
性も改善する。しかしAlと同様過剰添加すると製造性
および溶接性で問題となるため,上限を0.5%とする。
【0028】V:VもTiと同様に鋼の高温強度を上昇
させ,加工性を改善する。しかし過剰に添加すると逆に
強度の低下を招く。よって上限を0.5%とする。
【0029】Zr:Zrは鋼の高温強度を上昇させる。し
かし過剰に添加すると強度の低下を招くので上限を1.0
%とする。
【0030】W:WもTiやVと同様に鋼の高温強度を
上昇させる。しかし過剰に添加すると強度の低下を招く
ので上限を1.5%とする。
【0031】B:Bは鋼の熱間加工性を改善し,高温強
度も上昇させ,また加工性をも改善する作用がある。し
かし過剰に添加するとかえって熱間加工性の低下を招く
ため上限を0.01%とする。
【0032】REM(希土類元素) :希土類元素は微量添加
によって鋼の熱間加工性を改善し,耐酸化, 特にスケー
ルの密着性を改善する。しかし過剰に添加すると逆に熱
間加工性の低下を招くため,上限を0.1%とする。ここ
でREMは本明細書においてYおよびランタノイドの元素
群を意味する。
【0033】
【実施例1】表1に供試材の化学成分値を示した。M1
からM15は本発明鋼で,M16からM20は比較鋼である。
これらの鋼の各鋼塊を25mmφの丸棒または25mm厚の板に
鍛造し, 丸棒は950〜1100℃で焼鈍後, JIS標準の高温引
張試験片に加工した。鍛造板は切削後に加熱炉抽出温度
1200℃で熱間圧延を施し, 5mm厚みの熱延板とし,900
から1000℃で焼鈍後, 冷延−焼鈍を施して2mm厚の冷延
焼鈍板とし,この板厚において高温酸化試験および高温
塩害試験に供した。
【0034】高温引張試験はJISG0567に準じて700℃お
よび900℃での高温引張強さを測定した。高温酸化試験
は高温で100時間の連続酸化試験を実施した場合の異常
酸化が発生しない温度 (耐酸化限界温度) をもって評価
した。高温塩害試験は, 26%飽和食塩水に5分間浸漬→
650℃で2時間加熱→5分間冷却を1サイクルとして,こ
れを10サイクル繰り返した後の腐食減量を測定した。こ
れらの試験結果を表2に示した。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】表2の結果から次のことが明らかである。
【0038】Si,MnおよびNbの添加量が低い比較鋼の
M16は高温酸化特性, 高温塩害特性および高温強度が劣
る。Mnおよび固溶Nb量が低いM17は高温強度と高温酸
化特性が劣る。一方, Siの添加量が低いM18とM19は
高温酸化特性と高温塩害特性が劣る。またCr量が低い
M20は高温酸化特性が劣る。これに対して,本発明鋼の
M1〜M15は,高温強度,高温酸化特性および高温塩害
特性がいずれも良好である。
【図面の簡単な説明】
【図1】高温強度に及ぼす〔Nb〕量の影響を示す試験
結果図である。
【図2】高温酸化特性に及ぼすSiとMnの影響を示す試
験結果図である。
【図3】高温塩害特性に及ぼすSiの影響を示す試験結
果図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 定幸 山口県新南陽市野村南町4976番地 日新 製鋼株式会社鉄鋼研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−13060(JP,A) 特開 平5−98395(JP,A) 特開 昭59−193250(JP,A) 特開 昭57−174436(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 38/00 302

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%において, C:0.03%以下, Si:0.8〜4.0%, Mn:0.8〜2.0%, Cr:10.0〜17.0%未満, Nb:0.3〜1.5%, N:0.03%以下, ただし, 〔Nb〕=Nb%−8(C%+N%) の式に従う〔Nb〕が0.3以上の関係を満足するようにこ
    れらの元素を含有し,残部がFeおよび製造上の不可避
    的不純物からなる高温塩害特性に優れたフエライト系耐
    熱用ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】 重量%において, C:0.03%以下, Si:0.8〜4.0%, Mn:0.8〜2.0%, Cr:10.0〜17.0%未満, Nb:0.3〜1.5%, N:0.03%以下, を含有し,さらに, Mo:2.5%以下, Cu:2.5%以下, Al:0.5%以下, T
    i:0.5%以下, V:0.5%以下, Zr:1.0%以下, W:
    1.5%以下, B:0.01%以下, REM:0.1%以下の一種ま
    たは二種以上を含有したうえ, 〔Nb〕=Nb%−8(C%+N%) の式に従う〔Nb〕が0.3以上の関係を満足するようにこ
    れらの元素を含有し,残部がFeおよび製造上の不可避
    的不純物からなる高温塩害特性に優れたフエライト系耐
    熱用ステンレス鋼。
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KR20030068881A (ko) * 2002-02-18 2003-08-25 현대자동차주식회사 배기다기관용 내열 스테인레스 주강재 조성물
JP5239645B2 (ja) * 2008-08-29 2013-07-17 Jfeスチール株式会社 熱疲労特性、高温疲労特性、耐酸化性および耐高温塩害腐食性に優れるフェライト系ステンレス鋼

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